Simulación de un quemador LPP estabilizado por giro

Abstract

La necesidad creciente de fuentes energéticas más eficientes concretamente la necesidad de minimizar las emisiones contaminantes producidas en la combustión de hidrocarburos, tan presentes en nuestra actual sociedad, hace que universidades e industria inviertan tiempo y dinero en el desarrollo de nuevas técnicas que permitan un uso más eficiente y responsable de los recursos disponibles. Unido a esta necesidad de eficiencia energética han surgido también intentos gubernamentales de reducir las emisiones de contaminantes y en especial la producción de óxidos de nitrógeno y azufre (NOx y SOx) los cuales se encuentran en toda reacción de combustión en pequeñas cantidades pero resultan muy nocivos para la salud y el medio ambiente. En las últimas décadas se ha estado investigando acerca de los denominados “Swirl Burners” o quemadores estabilizados por giro. Estos quemadores permiten minimizar en gran parte la generación de NOx en la combustión, hasta 10 veces menos que el valor hallado en quemadores de tecnología más convencional. Recientemente se ha estado desarrollando una tecnología denominada “Low Swirl Burners” o quemadores estabilizados por bajo giro. Permiten una reducción adicional de NOx y mejorando la estabilización de la llama, evitando inestabilidades termo acústicas. Con esta base, el presente proyecto pretende continuar con las investigaciones realizadas en el departamento de Ingeniería Térmica de la Universidad Carlos III de Madrid, sobre el estudio de este tipo de quemadores con el fin de interpretar y caracterizar en detalle el complejo campo fluido que se establece en el quemador del mejor modo posible y obtener así una idea del funcionamiento de estos quemadores y su posible implantación en la industria. Mediante el uso de programas de simulación de fluidos se intenta caracterizar el campo fluido de un quemador tipo LPP (Lean Premixed Prevaporazed) de unos 50kW el cual es estabilizado mediante un “Low Swirl” El paso previo y necesario al estudio completo bajo condiciones de combustión es la simulación del comportamiento de un fluido dentro de un quemador. El proyecto se basa principalmente en esta tarea mediante el uso de programas de simulación dinámica de fluidos. En este caso Fluent©. Se trata por un lado de encontrar el modelo de turbulencia que se adapte mejor a las condiciones de funcionamiento del quemador intentando ser lo más fieles a la hora de recrear las condiciones y por otro lado asegurarse que el modelo es válido para distintas condiciones de funcionamiento (gasto másico y grado de giro) de contorno. El modelo real en el que nos basamos para realizar el estudio y simulación es un quemador de dimensiones y complejidad reducida que posee la universidad en sus laboratorios y con el cual se han realizado una seria de mediciones que nos permitirán obtener un modelo acorde. La geometría relativamente sencilla del quemador facilita realizar simulaciones en el mismo, ya que el mallado computacional no exige una complejidad excesiva. El estudio tridimensional no ha resultado posible debido a las limitaciones computacionales de los ordenadores disponibles. En su defecto se ha realizará un estudio bidimensional con simetría de revolución y usando modelos de turbulencia RANS. ________________________________________________________________________________________

The growing need for more efficient energy sources, specifically the need to minimize polluting emissions created by the combustion of hydrocarbons, which play a big role in our society, means that universities and private companies invest time and money in the development of new techniques which allow for more efficient and responsible use of available resources. Tied to this need of energy efficiency some government initiatives have arisen to reduce the pollutants that arise especially nitrogen and sulfur oxides (NOx and SOx), which are present in small quantities in every combustion but are very damaging to people's health and the environment. In recent decades there has been a lot of research surrounding Swirl Burners. These burners greatly minimize the production of NOx in a combustion process, up to 10 times less than more conventional burners. Recently a technology called Low Swirl Burners has been developed. These burners allow further reduction in NOx emissions and improve flame stabilization, avoiding thermo acoustic instabilities. With this base, this project intends to continue the research in the Thermal Engineering Department at Carlos III University of Madrid, regarding the study of these burners with the objective of interpreting and characterizing in detail the complex fluis field created in the burners. With the use of fluid simulation programs the project aims to characterize the LPP (Lean Premixed Prevaporized) fuid field at about 50kW which is stabilized by Low Swirl. The first step that is required before the complete study of the combustion process is the simulation of the behaviour of a fluid inside the burner. The project is mainly based on this task through the use of dynamic fluid simulation programs, in this case Fluent. On the one hand the goal is to find the turbulence model that best adapts to the way the burner functions (recreating the conditions as precisely as possible) and on the other hand it is to ensure that the model is valid for different conditions (level of rotation and mass consumption) The real modelon which we base the study is a small and simple burner from the university labs which has been measured to obtain the model. The relatively simple geometry of the burner makes running simulations easir, as the computational mesh isn't very complex. Three dimensional study has not been possible due to computational limitations of the available computers. Instead we ran a two dimensional study with revolution symmetry and using RANS turbulence models.